利用生物科学史培养学生的科学思维能力

赖旭初 黄东姐

摘要阐述了如何以史实为载体培养学生归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等能力，从而提升学生的生物科学素养。

关键词 生物科学史 科学思维 生物学科素养

中图分类号G633.91 文献标志码B

科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。学生应该在学习过程中逐步发展理性思维，能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。

人教版高中生物三本必修加选修三教材中的许多章节都渗透着生物科学史的内容。这些内容可以让学生领悟科学家的科学思维及科学精神，对培养学生的生物学科素养有重要的作用。结合教学实践，谈谈如何利用科学史来培养学生的科学思维能力。

1可以培养学生归纳与概括的思维能力

思维品质的提高离不开学生概括能力的培养，概括是一切思维品质的基础。归纳与概括思维要求学生能把对象的各个组成部分联系起来，或把事物的个别特性、个别方面结合成整体，需要学生能从大量的生物学事实中归纳概括，形成基本的生物学规律。科学史实往往比较分散，要求在授课过程中教师应引导学生能获取准确的信息并进行处理综合、归纳概括。

如“光合作用的发现历程”一节涉及了8个科学史实：1771年，英国科学家普里斯特利，通过实验发现植物可以更新空气;1779年，荷兰科学家英格豪斯做普里斯特利的实验，发现只有在阳光照射下才能成功;1785年，卡文迪发现了空气的组成，人们才明确绿叶在光下放出的气体是氧气，吸收的是二氧化碳;1845年，德国科学家梅耶指出植物在进行光合作用时，将光能转换成化学能储存起来;1864年，德国科学家萨克斯，通过实验证明光合作用产生了淀粉;1880年，美国科学家恩格尔曼，通过实验证明叶绿体释放氧气，是植物进行光合作用的场所;20世纪30年代，美国科学家鲁宾和卡门用同位素标记法证明光合作用中释放的氧全部来自水;20世纪40年代，美国生物化学家、植物生理学家卡尔文，与其合作者开始利用放射性同位素标记法研究光合作用，经9年左右的研究，最终探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中的碳的途径，这一途径称为卡尔文循环。

对于这些科学史实，教师可以发现光合作用的历史事件为顺序，带领学生经历科学家的探究历程，让他们总结光合作用的反应物、生成物、条件和场所，再引导学生尝试写出光合作用的总反应式，自主构建光合作用的概念。同时，教师有选择性地让学生分析总结科学家在材料选择、实验设计、结论分析等方面的精巧之处，体会科学的思维方式，使学生的思维在课堂达到飞跃的同时，培养学生归纳、总结、生成概念的能力。

培养学生的生物学概括能力，引导他们从大量的或复杂的生物学事实中抽象出最重要、最本质的东西，将丰富的生物学知识浓缩为自己内化的知识，能运用己学知识去解决新的问题，获得新知识、新技能，做到举一反三、触类旁通、温故知新。

2可以培养学生演绎与推理的思维能力

演绎与推理的思维能力是在高中生物学教学过程中发展科学思维重要途径之一。新的课程标准明确要求学生能基于生物学事实和证据运用演绎与推理等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。以科学史实为素材，引导学生展开发现式的学习过程，通过演绎推理而获得正确的实验结论，可提高学生的演绎推理能力。

如“DNA分子的复制”一节中，教师可采用以下教学过程。教师先引导学生提出问题：DNA是如何进行复制的？学生提出假说：复制方式可能是全保留复制、半保留复制和弥散式复制。教师引导学生根据假说，演绎推理复制后子代DNA可能的情况。教师引导学生进行演绎推理，利用实验区别复制方式的关键在于能区分亲代链和子代链，并提供同位素标记和密度梯度离心技术等背景知识，并提出问题串：如何区别亲代链和子代链？DNA用15N标记的大肠杆菌在含有14N培养基中培养一代后，会形成怎样的子代DNA？离心之后的结果是怎样的？如何区别弥散式复制和半保留复制呢？教师引导学生在离心管的示意图中标出在三种可能的复制方式下，DNA复制一次之后所提取的DNA离心的结果。学生设计实验进行验证。最后，教师将真实的实验结果展示给学生，让学生根据真实的离心结果，得出结论：DNA复制方式为半保留复制。

在合理利用科学史的情况下，学生运用己学过的生物学规律，通过假说、演绎、推理预测和探讨相关的生命现象，不断思考可能的生命活动过程并演绎推理出多种实验结果，再将自己推理的结果与真实的实验结果比较，逐渐获得正确的实验结论。在这样的学习过程中，学生不断发展自己的推理能力，使思维保持严密性、一贯性。

3可以培养学生模型与建模的能力

模型和建模思维能力的培养是生物学教学的重要方法，生物模型的建立使许多抽象的生物问题变得直观、具体、形象。科学史上的生物学家建立的生物模型为学生提供了探究的典范，给学生以科学精神、科学方法的熏陶。利用科学史为学生提供了一个优良的探究平台，不仅能让学生获取新知，更有利于他们掌握模型建立的方法，激发兴趣，提高建模能力，培养科学态度。

如“DNA分子结构”一节，利用科学史实训练学生模型建构，可以让学生体验DNA分子模型的建构过程，从而加深其对DNA分子结构的理解。

①建构脱氧核苷酸的模型。教師依据史实，弓I导学生利用模具进行相应的拼接。②建构脱氧核苷酸链的模型。根据科学史，教师引导学生在前面的基础上把单个脱氧核苷酸串成一条脱氧核苷酸链。③建构DNA的空间结构。教师提问：根据威尔金斯和富兰戈林提供的DNA的分子x射线的衍射图谱，DNA分子是几条链构成的呢？两条链中碱基排列在外侧还是内侧呢？教师提供当时的研究资料：碱基具有疏水性，磷酸和脱氧核糖具有亲水性。启发学生参考前面学过的细胞膜流动镶嵌模型中磷脂分子的排布方式，类比推理得出结论：碱基排列在链的内侧。教师追问：碱基如何配对呢？是相同的碱基配对，还是同类碱基配对？还是其他的情况呢？教师展示当时科学家们提供的数据：嘌呤碱基在分子结构上要比嘧啶大。此时查哥夫又带来了一个重要的信息：腺嘌呤的量总是等于胸腺嘧啶的量，鸟嘌呤的量总是等于胞嘧啶的量。于是，学生基本可以想到：A与T配对，G与C配对。最后，教师引导学生在已获得的知识基础上继续建构DNA的空间结构模型。

用生物科学史引导学生进行建模训练，让学生亲身体验并参与了模型建构的过程，不但使学生深刻地掌握了有关的生物知识，还增强了其处理科学信息的能力及动手能力，充分发挥了学生的主观能动性，提升了学生科学思维的能力。

4可以培养学生批判性思维的能力

批判性思维要求学生能基于生物学原理和限定条件等对生物学问题或观点提出质疑或论证。教师在教学中，应引导学生不要受他人思想的影响，严格地、正确地对他人和自己的观点进行评判，不一味迷信权威、教师或教材等。生物科学的发展中质疑提问和合理论证反思的过程，是在批判、继承、发展中曲折前行，因此生物科学史蕴含了丰富的科学思想、科学方法，是培养批判性思维的好素材。

如在“生物膜的流动镶嵌模型”一节，根据前面所学知识，学生已经知道生物膜的成分是脂质、蛋白质和糖类了。教师可以“问题串”引导学生思考：脂质、蛋白质和糖类是独立存在的还是相互结合的？它们跟功能有什么联系？它们如何排列，即生物膜的结构是怎样的，才能实现其功能？然后，教师和学生一起重走科学家的探究之路：罗伯特森于1959年提出的生物膜模型，所有的生物膜都是由蛋白质一脂质一蛋白质三层结构构成，他把生物膜描述为静态的统一结构。20世纪60年代后，人们对这一模型提出了异议。不少科学家对于生物膜是静态的观点提出质疑：如果是这样，细胞膜的复杂功能将难以实现，就连细胞的生长、变形虫的变形运动这样的现象都不好解释。学生在亲历探索细胞膜的历程中，一步一步地建构流动镶嵌模型的概念。最后，教师提出问题：生物膜的流动镶嵌模型是否完美无缺？谈谈自己的看法。

通过科学史的学习，教师引导学生与科学先驱的思维进行碰撞。学生经历了质疑、分析、反思的过程，体验了科学家思维的巧妙，进一步培养了思维的批判性。

学习科学史，学生可以感悟到构思缜密独特的实验的巧妙，可以与科学先贤进行对话和方法交流。生物学教师要善于挖掘、发现和利用这些科学史实故事来培养学生的科学思维，使学生的思维变得深刻、灵活、创新、富有批判性。